WO2010000754A1 - Direktempfang-doppler-lidar-verfahren und direktempfang-doppler-lidar-vorrichtung - Google Patents

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WO2010000754A1
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laser pulses
intensity
measurement
integrated
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PCT/EP2009/058216
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Nikolaus Schmitt
Wolfgang Rehm
Thomas Pistner
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Eads Deutschland Gmbh
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Definitions

  • the invention relates to a method for Doppler-LIDAR measurement of speeds by means of direct reception as well as a device for carrying out the method.
  • LIDAR stands for "light detection and ranging” and is a very similar method to radar ("radiowave detection and ranging”) for distance and speed measurement as well as for the remote measurement of atmospheric parameters. Instead of radio waves like the RADAR, however, laser beams are used.
  • laser radiation is directed to the medium to be measured, and the radiation reflected thereafter is received directly and examined for Doppler shift of the laser wavelength to detect relative velocities.
  • Doppler LIDAR systems using direct reception technology are used, for example, for the forward-looking measurement of turbulences, side winds or wake turbulences in front of an aircraft, in particular aircraft.
  • the measurement signals can be coupled in particular directly into the flight control of the aircraft to proactively, for example, gusts, crosswinds or wake effects, so before the aircraft reacts negatively to the outer flow change, so that a steady, steady state of flight is maintained, load on the aircraft is reduced and safety in the aircraft and for the aircraft remains ensured.
  • a significant problem here is the dynamics of the backscatter intensity that occurs. Due to aerosol content and air density, the intensity of the backscattered signal can easily vary by three orders of magnitude. Strong variation is also obtained when the aircraft, for example aircraft in which the LIDAR measuring system is located, flies through clouds, so that the total dynamics can easily amount to four to five orders of magnitude.
  • CCD arrays used in a so-called fringe imaging technique typically have a dynamic range of 10 to 12 bits. Starting from a minimum intensity of 6 to 7 bits, the remaining dynamics are about one to two orders of magnitude.
  • a weakening of the received signal with, for example, electro-optical modulators is very complicated, expensive and difficult to achieve due to the usually large tolerances for CCD chips.
  • the object of the invention is to provide a method for increasing a dynamic range of a Doppler lidar system with direct reception as well as a direct reception Doppler LIDAR device with an increased dynamic range.
  • a plurality of laser pulses are directed to the medium to be measured per measurement.
  • a plurality of then coming from the medium i. usually scattered laser pulses detected with a detector and integrated there.
  • the measuring method is preferably carried out very quickly in accordance with the preferred application on aircraft.
  • the duration of a measurement cycle is on the order of a few milliseconds.
  • Laser pulses are emitted in a number that is larger by at least one or two orders of magnitude (that is to say larger by at least a factor of 5-10), for example in the kilohertz range.
  • the LIDAR measurement is not a single pulse of the laser per measurement (flash laser, typically 10-100 Hz), but a cryrepetierender laser is used, which per measurement several hundred pulses (in particular, micropulse lasers, typically 5-50 kHz). Since it is not the light phase but only the frequency and intensity that is important for the direct reception method, the detection of a strong laser pulse corresponds to the detection of many weak laser pulses, which are correspondingly integrated on the detector.
  • the number of light pulses integrated on the detector is controlled, so that, depending on the intensity of the respective backscattered radiation, a greater or lesser number of pulses is integrated in order to obtain an optimum overall intensity on the detector - for example above the required minimum intensity, but clearly below the saturation intensity - to ensure.
  • a highly repeating laser with repetition rate of one or more orders of magnitude above the detection rate is used for the measurement. It is further preferred that a plurality of laser pulses are integrated on a light-sensitive detector into a single measurement.
  • the number of collected laser pulses on the detector can be varied. This can be done in different ways, which are individually or cumulatively feasible.
  • a laser source can be controlled in accordance with the transmission of a defined, variable number of pulses.
  • the laser source which is formed for example by a laser, a downstream controllable switch downstream.
  • the detector can be controlled accordingly, so that received laser pulses are masked out and not integrated.
  • the detector is preceded by a correspondingly controllable switch. The control is preferably carried out in such a way that a high signal intensity is achieved by changing the number of integrated laser pulses but an override of the detector is avoided, which results in changing conditions of the backscatter the laser signal at the scattering object is used to create a correspondingly increased dy namic range of the measuring system far beyond the dynamics of the pure detector.
  • the direct-reception Doppler-LIDAR device is preferably designed to carry out the method according to the invention.
  • the direct-receive Doppler-LIDAR device is a Doppler-Lidar system for measuring velocities, such as airspeed, using the direct-receive technique, where a high repetition rate laser with repetition rate is one or more orders of magnitude higher than that Detection rate is used.
  • the detector is further preferably designed and / or controlled such that a plurality of laser pulses are integrated on a light-sensitive detector for a single measurement.
  • an intensity control device is provided to vary the number of collected laser pulses on the detector.
  • This intensity control device is further preferably designed such that either the laser is controlled in accordance with the emission of a defined, variable number of pulses or the laser is followed by a corresponding controllable switch or the detector is controlled accordingly or hides received laser pulses and not integrated or the detector is preceded by a corresponding controllable switch.
  • the control preferably takes place in such a way that a high signal intensity is achieved by changing the number of integrated laser pulses, but an override of the detector is avoided.
  • a correspondingly increased dynamics of the measuring system can be achieved far above the dynamics of the pure detector.
  • a current measurement signal is calculated or determined as to whether the intensity is to be measured. ring or too high. Then, the number of pulses to be integrated for the following measurement is increased or decreased accordingly. More preferably, this process is repeated consecutively until the intensity is neither too high nor too low.
  • the reduction or increase of the pulse number can be done by a constant factor or a constant additive quantity.
  • the reduction or increase in the number of pulses may be proportional to the deviation from the ideal value.
  • a prediction for the expected intensity of the next measurement is estimated from the course of the increase or decrease in intensity, from which the number of laser pulses to be integrated is determined.
  • this determination can be made separately for each channel. In an embodiment with a reference channel, this calculation can be performed independently of the measurement channels for the reference channel.
  • a detector As a detector, a camera or a camera chip is used in a preferred embodiment. In a further embodiment, a photodiode or a one- or two-dimensional photodiode array is used as the detector.
  • the readout can be done according to an advantageous embodiment of the invention in a fixed clock regardless of the number of integrated laser pulses. In another advantageous embodiment of the invention, the readout takes place after reaching the required intensity, but possibly limited to a maximum time.
  • the number of laser pulses to be integrated is controlled in a configuration in which the number of laser pulses emitted by the laser source is controlled, for example via a Q-switch of the laser source.
  • the number of laser pulses to be integrated can be controlled via an electro-optical switch, an electromechanical switch or a fiber-optic switch arranged downstream of the laser.
  • the control of the laser pulses to be integrated takes place on the receiving side.
  • the number of laser pulses to be integrated is controlled via an electro-optical switch arranged upstream of the detector or via a fiber-optic electro-optical switch arranged upstream of the detector.
  • the number of laser pulses to be integrated is controlled via a switchable microchannel plate.
  • a control of the number of laser pulses to be integrated is provided via an electronic circuit of the detector output or corresponding control of the camera chip.
  • the number of integrated laser pulses is detected by means of, for example, a counter and used together with the intensity of the measurement signal for determining the actual signal amplitude.
  • FIG. 2a, 2b backscatter intensity at air aerosols locally (FIG. 2a) and plotted versus altitude for the northern hemisphere, southern hemisphere and FIG. 2a, 2b backscatter intensity at air aerosols locally (FIG. 2a) and plotted versus altitude for the northern hemisphere, southern hemisphere and FIG. 2a, 2b backscatter intensity at air aerosols locally (FIG. 2a) and plotted versus altitude for the northern hemisphere, southern hemisphere and FIG. 2a, 2b backscatter intensity at air aerosols locally (FIG. 2a) and plotted versus altitude for the northern hemisphere, southern hemisphere and FIG. 2a, 2b backscatter intensity at air aerosols locally (FIG. 2a) and plotted versus altitude for the northern hemisphere, southern hemisphere and FIG. 2a, 2b backscatter intensity at air aerosols locally (FIG. 2a
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a detector arrangement that can be used in the apparatus of FIG. 1;
  • Fig. 4 is an example of an interferogram taken with the detector arrangement of Fig. 3;
  • 5a, 5b are illustrations of the control of laser pulses to be integrated at a given exposure time
  • Fig. 6a is an illustration of a typical intensity profile versus
  • FIG. 6b shows an illustration of the pulse number to be integrated in relation to FIG. 5b;
  • 6c shows an illustration of the intensity striking the detector after regulation of the number of pulses to be integrated
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of a detector arrangement, which is expanded by a fiber-optic switch compared with that of FIG. 3; and 8a, 8b are illustrations of a constant (FIG. 8a) and a variable (FIG. 8b) exposure time of the detector at different pulse numbers to be integrated.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a direct-receive Doppler LIDAR device 10.
  • the direct-receive Doppler LIDAR device 10 is installed in the illustrated example in an aircraft, illustrated by the example of an aircraft 13.
  • the direct-receive Doppler LIDAR device 10 has a relatively narrow bandwidth laser source 11 (single-frequency operation, typically several MHz linewidth).
  • the light of the laser source 11 - emitted laser beam 15 - is sent through a window 14 into the atmosphere 16.
  • the light of the laser source 11 is elastically scattered on particles 17a, 17b, 17c,... Of the air in the case exemplified here.
  • the scattered light 18 is picked up by a detector arrangement 12.
  • the relative velocity is determined from the Doppler shift of the scattered light 18 backscattered relative to the direct-receiving Doppler LIDAR device 10 at the scattering particles 17a, 17b, 17c.
  • an intensity controller 22 for controlling intensity to be received by a detector of the detector array 12.
  • FIGS. 2a and 2b illustrate different aerosol scattering and aerosol distributions.
  • aerosol scattering is very strong in high pollutant emission areas, such as in industrial areas or volcanic areas.
  • the aerosol scattering is quite low in the range of large bodies of water, for example over the oceans or in the area of the southern hemisphere of the earth, see Fig. 2a.
  • the aerosols are also washed out by, for example, heavy rain, so that their concentration can then be very low.
  • aerosol density-based Mie scattering decreases disproportionately from Rayleigh scattering on molecules of air for altitudes greater than 2km; see Fig. 2b. At such a height of 2km, the Mie scattering is extremely environmentally dependent and sometimes very strong or very low possible.
  • the Rayleigh scattering decreases proportionally with the density, ie about 30% at a height of 10 km. For a reliable measurement of turbulence etc., therefore, a measurement based purely on aerosols is not suitable, but the Rayleigh scattering should also be able to be measured.
  • the intensity of Rayleigh scattering is proportional to the reciprocal of the wavelength to the fourth power, it is useful to use a laser source 11 at the shortest possible wavelength, that is, for example, in the UV range.
  • An example of the detector array 12 of the direct-receive Doppler LIDAR device 10 is shown in more detail in FIG.
  • the scattered radiation - scattered light 18 - is passed through an optical system 26 to a detector 35 and detected.
  • Prerequisite for this measurement method is a sufficiently narrow-band laser source, so that the coherence length of the light is greater than the path difference between see delayed reference radiation and received scattered radiation. Furthermore, the scattered radiation itself must not contribute to any significant line broadening, since otherwise the coherence would be destroyed. Typical limit values for the maximum line width and spread broadening are in the range of a few kHz or MHz.
  • the so-called direct receiving technique shown in FIG. 3 which does not require the phase of the radiation and is therefore used in the method illustrated here and in the direct-receiving Doppler LIDAR device 10 shown here, is used takes an intensity measurement.
  • another element is provided which has frequency discrimination or wavelength dispersion.
  • the received radiation 32 is supplied to the detector arrangement 12 by means of an optical fiber 37 for this purpose.
  • the received radiation is supplied via a first optics - collimation optics 31 - a so-called Fabry-Perot etalon 33, which has two plane-parallel, partially reflecting plates or a single plane-parallel plate with partial reflection on both surfaces, which by self-superposition of the wave in a resonator an interference of the wave with itself leads.
  • a spatial intensity distribution by imaging by means of a second optical system 38 on the detector 35, a spatial intensity distribution.
  • a circular interference figure is created by multiple reflection - so-called rings or English. Fringes, see Fig. 4. Maxima and minima correspond to overlays of the same angle.
  • a change in the radius of this interference pattern is directly proportional to the change in the wavelengths or frequency change of the detected signal and thus the change in the Dopplershift and thus with the change in the relative velocity of the scattering particles, that is, for example, the scattering particles 17a, 17b, 17c of the air (molecules, aerosols) relative to the measuring system.
  • the relative velocity of the air with respect to the aircraft 13 can also be determined.
  • the absolute relative speed in contrast to the previously described change in the relative speed
  • the two- or even three-dimensional relative velocity vector can be determined. Accordingly, the principles and solutions proposed here for one or more measurement directions can be used.
  • Fabry-Perot interferometer instead of the Fabry-Perot interferometer described here, it is also possible to use other frequency-discriminating elements or other interferometers, for example Michelson interferometers, Fizeau interferometers or the like.
  • This interference pattern shown as an example in FIG. 4 is now to be recorded with a suitable detector 35, see FIG. 3.
  • the detector 35 can be constructed differently.
  • Various solutions include the use of filters at the edges of the interference maxima, the interference pattern modeled concentric ring electrodes of a photomultiplier, the transformation of the circular pattern into a linear by means of fiber optics and detection with a CCD line detector or detection with a two-dimensional photo-detector (for example CCD camera).
  • CCD line detector for example CCD camera
  • the direct-receive Doppler LIDAR device 10 as well as a measurement method that can be carried out will be further described using the example of the use of a CCD camera as detector 35 with an upstream microchannel plate 34 for amplification.
  • the detected backscatter signal is very weak, but can vary significantly in intensity, on the one hand by changes in the air density and thus the number of backscattering molecules in the measurement volume, on the other hand by aerosols located in the measurement volume.
  • the direct reception detection method described here make it possible to measure in an absolutely aerosol-free atmosphere (pure Rayleigh scattering), but beyond that the scattering of aerosols is also detected and can be evaluated. In this case, even a very strong backscatter signal can be expected.
  • the backscatter intensity can likewise fluctuate.
  • a first, obvious solution would be the attenuation of the received signal as a function of its strength.
  • this obvious solution is unfavorable for several reasons: absorbing attenuators would have to be moved mechanically if necessary. Electrically controllable attenuators are usually based on the transmission of polarized light, whereas the received backscatter signal is at most partially polarized and also mostly non-polahsationserhaltende elements of the beam transmission are used. Furthermore, the exact value of the attenuation to determine certain parameters would be important (retroactive calculation of the actual signal intensity), which is difficult to determine for absorbers or other attenuators.
  • a basic principle of the direct reception Doppler LIDAR device 10 presented here and the method that can be carried out therewith is based on the fact that single pulses per measurement are not used as usual for speed measurement, but rather pulse trains or many laser pulses 51 (FIGS. 5a and b) high repetition laser (typically in the kHz range) used on the detector be integrated into a single measurement. This is shown schematically in FIGS. 5a and 5b, wherein the laser pulses 51 and the measuring interval 52 (duration of the measuring cycle) are shown over time.
  • the exposure times are typically about 10 ms per measurement, more generally between about 1 ms and 100 ms.
  • the controllable switching device 24 is furthermore used, which is controlled so that the number of integrated laser pulses 51 can be controlled.
  • FIG. 5 a shows a large number of pulses of the laser pulses 51 per measurement 52 with low backscatter and
  • FIG. 5 b shows a small number of pulses of the laser pulses 51 per measurement 52 with strong backscatter.
  • a defined but individually adjustable number of laser pulses 51 per measurement is integrated.
  • the detector 35 itself, as far as it is controllable, driven accordingly.
  • a further procedure for controlling the laser pulses 51 to be integrated includes the control of the detector output.
  • Fig. 6a a received backscatter signal with strong dynamics
  • Fig. 6b the number of each to be detected laser pulses 51
  • Fig. 6c the relatively uniform intensity on the detector 35 is shown.
  • a preferred arrangement for example, provides a laser pulse rate of 20 kHz at exposure times (integration times) of the detector of 16 ms per measurement, so that in this case up to 333 pulses can be integrated into one measurement. In the case of very strong backscatter, the number of pulses to be integrated can be reduced to a single pulse. In this way, in addition to the dynamics of the detector 35, a further dynamic of more than 333 is achieved, which is to be multiplied by the detector dynamics to the overall system dynamics. Typical values for detector dynamics are about 100; the total dynamics is then up to more than four orders of magnitude.
  • This arrangement is particularly advantageous, in particular when using a switching device 24 in front of the detector 35.
  • a switching device 24 is essentially formed by a very rapidly switchable microchannel plate 34.
  • FIG. 7 An embodiment of a detector arrangement 70 which is expanded with respect to the embodiment of the detector arrangement 12 of FIG. 3 is shown in FIG. 7, the same reference numerals having been used for corresponding elements.
  • microchannel plate 34 (For example, in front of a CCD camera) and a fiber optic or electro-optical switch 76 in the receiving path of the optical fiber 37 on.
  • the microchannel plate 34 may also be omitted or used in another function, for example as an intensity amplifier.
  • the intensity control device 22 thus controls the number of laser pulses transmitted to the detector 35 through the front of the detector 35 Switching device 24. Alternatively or additionally controls the intensity control device 22, the number of pulses to be integrated by driving the detector 35 itself.
  • the switching time for detection can now be chosen to be just as short that the expected and desired scatter signal is recorded, but before and after that no detection takes place, so that the background light influence can be minimized.
  • the rapidly switchable microchannel plate 34 can preferably be switched either by controlling the acceleration voltage or by driving a gate electrode, usually a net-shaped electrode on the photocathode, or by both at the same time.
  • the switching times are typically in the nanosecond range or below (at least for the gate electrode).
  • Another embodiment, not shown in the drawings, which does not have the aforementioned advantage of minimizing the background light influence, but is also applicable, is an arrangement in which the number of emitted laser pulses is controlled (in contrast to the above-described control of the number of received laser pulses). This can in turn be achieved either by inherent control of the laser (e.g., by a Q-switch in the laser source 11, not shown) or by a fast switch mounted on the laser output (electro-optical switch, fiber switch, also not shown).
  • the intensity on the detector 35 is provided according to an exemplary embodiment of the direct-reception Doppler-LIDAR device 10 and the measuring method measure and no further alsintegrieren pulses (eg, to keep the switch 76 closed, the microchannel plate 34 to switch according oa) when the required intensity is reached.
  • this intensity measurement is not possible during the integration, since the intensity of the CCD chip has to be read out in order to determine the intensity.
  • One possibility, however, is to use the intensity of the respective last measurement cycle for intensity measurement and to determine based thereon the desired number of pulses to be integrated for the next detection (which may be greater, smaller or equal to the previous pulse number). If measurements are taken in several measuring directions, this must be carried out separately for each measuring direction.
  • a reference signal direct laser signal
  • this method can also be carried out for the reference signal and optimal detector intensity can be achieved even with fluctuating laser power.
  • the described method of using the last measured value always works well if the intensity changes are slow compared to the measuring rate. Fast intensity changes can not be detected in this way, or at least not completely. It may well happen that nevertheless a measurement is outshone or has too low an intensity. In this case, the procedure described should be repeated consecutively until it is within the desired range of sensitivity, or on the basis of an estimate to provide a larger jump. However, this is sufficient for typical applications. In particular, no additional detectors are needed and the intensity can be very easily derived from the detector signal itself.
  • a corresponding counter - realized for example by hardware or software in the intensity controller 22 and therefore not shown in detail - is then depending on the particular signal intensity of the last measurement with a corresponding value aufintegrierenden for the next measurement Pulse count applied. These values can be continuous. Another possibility is to specify a stepwise adaptation of the number of pulses to be integrated (for example doubling / halving: 1 -2-4-8-16-32-65-128-256- MAX pulse number or additive increase / subtraction 1 -31-61 -91 -). However, it can also be derived from the measured intensity value and the desired direct proportionality factor.
  • Fig. 8a and 8b different possibilities for reading the detector 35 are shown.
  • different numbers of laser pulses 81 a, 81 b, 81 c have been recorded in three successive measurements.
  • Indicated at 82a, 82b and 82c are the total integration times in the first to third measurements.
  • the total integration time 82a, 82b, 82c of the detector 35 can be fixed in a first method independently of the number of laser pulses to be integrated or the length of the pulse train to be integrated (at 81a, 81b, 81c) , FIG. 8a thus shows a procedure for reading the detector 35 with a fixed read-out clock.
  • Fig. 8b shows a procedure for reading out the detector 35 in which the total integration time 82a, 82b, 82c is dependent on the measured signal intensity.
  • the total integration time 82b exposure time
  • the readout then takes place after reaching the desired intensity or after reaching an expected due to the pre-measurement intensity.
  • the total integration time 82a, 82b, 82c is optionally limited by a predetermined maximum time.
  • the measurement of the temporal change of the interference signal alone would not be sufficient.
  • the change of the interference signal with respect to a reference point for example, known speed or speed equal to zero.
  • a reference point for example, known speed or speed equal to zero.
  • One possibility using the direct reception Doppler LIDAR device 10 shown here is essentially to couple part of the emitted laser light - laser beam 15 - directly into the detector arrangement 12 (ie without emitting it into the atmosphere). Since this part of the laser light experiences no scattering on particles moved relative to the system - particles 17a, 17b, 17c - here the Doppler shift is 0. The signal can thus be used as the zero-point reference signal.
  • this signal is now obtained so that a portion of the emitted signal is passed to the detector 35 and the number of detected laser pulses 51 is now selected so that no saturation of the detector 35 occurs.
  • the signal applied directly is much more intense than the signal obtained from the backscattering from the atmosphere, so that here too the solution presented here contributes substantially to preventing detector saturation and thus obtaining a good reference signal.
  • This measurement of the reference signal can now take place periodically or randomly in the entire measuring process of the LIDAR measurement.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Doppler-LIDAR-Messung von Geschwindigkeiten mittels Direktempfang, wobei ein Laserstrahl (15) auf das zu messende Medium (16) gerichtet wird und von dem Medium (16) daraufhin abgestrahlte Strahlung (18) mittels eines Detektors (35) gemessen wird. Um den Dynamikumfang einer Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung (10) besser steuern zu können, wird die Durchführung der folgenden Schritte vorgeschlagen: a) Aussenden einer Vielzahl von Laserpulsen pro Messung (52) und b) Aufintegration einer Vielzahl von dem Detektor (35) empfangener Laserpulse (51, 81 a, 81 b, 81 c) pro Messung (52). Außerdem wird eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Direktempfang- Doppler-LIDAR-Vorrichtung (10) beschrieben.

Description

Direktempfang-Doppler-LIDAR-Verfahren und Direktempfang-Doppler-
LIDAR-Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Doppler-LIDAR-Messung von Geschwindigkeiten mittels Direktempfang sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
LIDAR steht für "light detection and ranging" und ist eine dem Radar ("radiowave detection and ranging") sehr verwandte Methode zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung sowie zur Fernmessung atmosphärischer Parameter. Statt Funkwellen wie beim RADAR werden jedoch Laserstrahlen verwendet.
Ein Beispiel für eine Doppler-LIDAR-Vorrichtung und ein damit durchführbares Verfahren zur Messung von Windgeschwindigkeiten ist aus der EP 1756620B1 , US 20080117433 A1 oder US 2006262324 A1 bekannt.
Bei Direktempfang-Doppler-Lidar-Vorrichtungen wird Laserstrahlung auf das zu messende Medium gerichtet und die daraufhin reflektierte Strahlung direkt emp- fangen und hinsichtlich einer Doppler-Verschiebung der Laserwellenlänge untersucht, um so Relativgeschwindigkeiten festzustellen.
Doppler-LIDAR-Systeme unter Verwendung der Direktempfangstechnik werden beispielsweise zur vorausschauenden Messung von Turbulenzen, Seitenwinden oder Wirbelschleppen vor einem Luftfahrzeug, insbesondere Flugzeug, verwendet. Neben einer reinen Warnfunktion können die Messsignale insbesondere auch direkt in die Flugsteuerung des Flugzeuges eingekoppelt werden, um beispielsweise Böen, Seitenwinde oder Wirbelschleppeneinflüsse proaktiv, also bevor das Flugzeug negativ auf die äußere Strömungsänderung reagiert, so auszuregeln, dass ein gleichbleibender ruhiger Flugzustand erhalten bleibt, Belastung des Flugzeuges reduziert werden und die Sicherheit im Flugzeug und für das Flugzeug gewährleistet bleibt.
Ein wesentliches Problem ist hierbei die auftretende Dynamik der Rückstreuintensität. Aufgrund Aerosolgehalt und Luftdichte kann die Intensität des rückgestreuten Signals leicht um drei Größenordnungen variieren. Starke Variation erhält man zudem, wenn das Luftfahrzeug, beispielsweise Flugzeug, in welchem sich das LIDAR-Messsystem befindet, durch Wolkenfetzen fliegt, so dass die Gesamtdy- namik leicht vier bis fünf Größenordnung betragen kann.
Heutige Detektoren weisen einen sehr viel geringeren Dynamikbereich auf. Beispielsweise verfügen CCD-Arrays, welche bei einer sogenannten Fringe-Imaging- Technik eingesetzt werden, typischerweise einen Dynamikbereich von 10 bis12 bit auf. Ausgehend von einer Mindestintensität von 6 bis 7 bit beträgt die verbleibende Dynamik etwa ein bis zwei Größenordnungen.
Eine Abschwächung des Empfangssignals mit beispielsweise elektrooptischen Modulatoren ist sehr aufwändig, teuer und aufgrund der üblicherweise großen A- perturen für CCD-Chips schwer erreichbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erhöhung eines Dynamikumfan- ges eines Doppler-Lidar-Systems mit Direktempfang sowie eine Direktempfang- Doppler-LIDAR-Vorrichtung mit vergrößertem Dynamikumfang zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruches 1 sowie eine Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß werden pro Messung eine Vielzahl von Laserpulsen auf das zu messende Medium gerichtet. Bei der Messung werden eine Vielzahl von daraufhin von dem Medium kommenden, d.h. in der Regel gestreuten Laserpulsen mit einem Detektor erfasst und dort aufintegriert.
Das Messverfahren wird vorzugsweise entsprechend der bevorzugten Anwendung an Bord von Luftfahrzeugen sehr schnell durchgeführt. Beispielsweise bewegt sich die Dauer eines Messzykluses in der Größenordnung weniger Millisekunden. Laserpulse werden in einer um wenigstens ein bis zwei Größenordnung (also etwa um wenigstens einen Faktor 5-10 größer) größeren Anzahl abgestrahlt, also zum Beispiel im Kilohertz-Bereich.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur LIDAR-Messung nicht ein Einzelpuls des Lasers pro Messung (Flash-Laser, typischerweise 10-100 Hz), sondern es wird ein hochrepetierender Laser verwendet, welcher pro Messung einige hundert Pulse aussendet (insbesondere Micropulse-Laser, typischerweise 5-50 kHz). Da für das Direktempfangsverfahren nicht die Lichtphase sondern nur die Frequenz und Intensität wichtig ist, entspricht die Detektion eines starken Laserpulses der Detektion vieler schwacher Laserpulse, die auf dem Detektor entsprechend integriert werden.
Weiter vorzugsweise wird die Anzahl der auf dem Detektor integrierten Lichtpulse gesteuert, so dass je nach Intensität der jeweiligen rückgestreuten Strahlung eine größere oder kleinere Zahl von Pulsen integriert wird, um eine optimale Gesamtintensität auf dem Detektor - also zum Beispiel über der erforderlichen Mindestintensität, aber deutlich unter der Sättigungsintensität - zu gewährleisten. Mit den erfindungsgemäßen Vorschlägen ist der Aufbau eines Direktempfangs- LIDAR-Sytems möglich, mit welchem ohne störende Sättigung des Detektors LIDAR-Rückstreusignale mit einem Dynamikbereich von mehreren Größenord- nungen mit einem Detektor erfassbar sind, welcher einen Dynamikbereich aufweist, der um einige Größenordnungen geringer ist, als dies für die Messaufgabe erforderlich wäre.
In bevorzugter Ausgestaltung wird bei dem Verfahren zur Messung von Ge- schwindigkeiten , beispielsweise der Luftgeschwindigkeit, unter Verwendung der Direktempfangs-Technik, vorgeschlagen, dass zur Messung ein hochrepetierender Laser mit Repetitionsrate um eine oder mehrere Größenordnungen über der De- tektionsrate verwendet wird. Weiter ist bevorzugt, dass mehrere Laserpulse auf einem lichtempfindlichen Detektor zu einer einzelnen Messung integriert werden.
In bevorzugter Ausgestaltung kann die Anzahl der gesammelten Laserpulse auf dem Detektor variiert werden. Dies kann auf unterschiedlichen Wegen geschehen, die einzeln oder kumuliert durchführbar sind.
Beispielsweise kann eine Laserquelle entsprechend zur Aussendung einer definierten, veränderbaren Anzahl von Pulsen gesteuert werden. In einer anderen Ausgestaltung wird der Laserquelle, die beispielsweise durch einen Laser gebildet wird, ein entsprechend steuerbarer Schalter nachgeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung ist der Detektor entsprechend steuerbar, so dass empfangene Laser- pulse ausgeblendet und nicht aufintegriert werden. In einer anderen Variante wird dem Detektor ein entsprechend steuerbarer Schalter vorgeordnet. Die Steuerung erfolgt vorzugsweise derart, dass durch Veränderung der Anzahl der integrierten Laserpulse eine hohe Signalintensität erreicht aber eine Übersteuerung des Detektors vermieden wird, was bei sich ändernden Bedingungen der Rückstreuung des Lasersignals am Streuobjekt zum Schaffen eines entsprechend erhöhten Dy- namikumfangs des Meßsystems weit über der Dynamik des reinen Detektors verwendet wird.
Die erfindungsgemäße Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung ist vorzugsweise zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Vorzugsweise ist die Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung ein Doppler-Lidar-System zur Messung von Geschwindigkeiten, beispielsweise der Luftgeschwindigkeit, unter Verwendung der Direktempfangs-Technik, bei dem zur Messung ein hochrepe- tierender Laser mit Repetitionsrate um eine oder mehrere Größenordnungen über der Detektionsrate verwendet wird. Der Detektor ist weiter bevorzugt derart ausgebildet und/oder angesteuert, dass mehrere Laserpulse auf einem lichtempfindlichen Detektor zu einer einzelnen Messung integriert werden. Vorzugsweise ist eine Intensitäts-Steuereinrichtung vorgesehen, um die Anzahl der gesammelten Laserpulse auf dem Detektor zu variieren. Diese Intensitäts-Steuereinrichtung ist weiter bevorzugt derart ausgebildet, dass entweder der Laser entsprechend zur Aussendung einer definierten, veränderbaren Anzahl von Pulsen gesteuert wird oder dem Laser ein entsprechend steuerbarer Schalter nachgeordnet wird oder der Detektor entsprechend gesteuert wird oder empfangene Laserpulse ausge- blendet und nicht aufintegriert werden oder dem Detektor ein entsprechend steuerbarer Schalter vorgeordnet ist. Die Steuerung erfolgt bevorzugt derart, dass durch Veränderung der Anzahl der integrierten Laserpulse eine hohe Signalintensität erreicht aber eine Übersteuerung des Detektors vermieden wird. Insbesondere bei sich ändernden Bedingung der Rückstreuung des Lasersignals am Streuob- jekt lässt sich so eine entsprechend erhöhte Dynamik des Meßsystems weit über der Dynamik des reinen Detektors erreichen.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens und/oder der Vorrichtung wird aus einem aktuellen Messsignal berechnet oder ermittelt, ob die Intensität zu ge- ring oder zu hoch war. Dann wird entsprechend die Anzahl der zu integrierenden Pulse für die folgende Messung erhöht oder erniedrigt. Weiter vorzugsweise wird dieser Vorgang konsekutiv wiederholt, bis die Intensität weder zu hoch, noch zu niedrig ist.
Die Reduktion oder Erhöhung der Pulszahl kann um einen konstanten Faktor oder eine konstante additive Größe erfolgen. Alternativ kann die Reduktion oder Erhöhung der Pulszahl proportional zur Abweichung gegenüber dem Idealwert erfolgen.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem Verlauf des Intensitätsanstiegs oder -abfalls eine Voraussage für die zu erwartende Intensität der nächsten Messung abgeschätzt, woraus die Anzahl der zu integrierenden Laserpulse bestimmt wird.
Im Falle von mehreren, unterschiedlichen Messkanälen, z.B. bei mehreren Messungen in unterschiedlichen Richtungen, kann diese Bestimmung jeweils für jeden Kanal getrennt erfolgen. Bei einer Ausgestaltung mit einem Referenzkanal kann für den Referenzkanal diese Berechnung unabhängig von den Messkanälen erfolgen.
Als Detektor wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung eine Kamera oder ein Kamerachip verwendet. Bei einer weiteren Ausgestaltung wird als Detektor eine Photodiode oder ein ein- oder zweidimensionales Photodiodenarray verwendet.
Die Auslesung kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in einem festen Takt unabhängig der Anzahl der integrierten Laserpulse erfolgen. Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Auslesung nach Erreichen der erforderlichen Intensität, gegebenenfalls jedoch limitiert auf eine Maximalzeit.
Die Steuerung der Anzahl der zu integrierenden Laserpulse erfolgt bei einer Aus- gestaltung, in der die Anzahl der von der Laserquelle abgegebenen Laserpulse gesteuert wird, zum Beispiel über einen Güteschalter der Laserquelle.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung der Anzahl der zu integrierenden Laserpulse über einen dem Laser nachgeordneten elektrooptischen Schalter, e- lektromechanischen Schalter oder faseroptischen Schalter erfolgen.
Vorzugsweise erfolgt die Steuerung der zu integrierenden Laserpulse empfangs- seitig. Hierzu kann z.B. die Steuerung der Anzahl der zu integrierenden Laserpulse über einen dem Detektor vorgeordneten elektrooptischen Schalter oder über einen dem Detektor vorgeordneten faseroptischen elektrooptischen Schalter erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt die Steuerung der Anzahl der zu integrierenden Laserpulse über eine schaltbare Mikrokanalplatte. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuerung der Anzahl der zu integrierenden Laserpulse über eine elektronische Beschaltung des Detektorausganges oder entsprechende Steuerung des Kamerachips vorgesehen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Anzahl der integrierten Laserpulse mittels beispielsweise eines Zählers erfasst und zusammen mit der Intensität des Messsignals zur Bestimmung der tatsächlichen Signalamplitude verwendet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer flugzeuggetragenen LIDAR-
Vorrichtung;
Fig. 2a, 2b Rückstreuintensität an Luftaerosolen lokal (Fig. 2a) und aufgetragen versus Höhe für nördliche Hemisphäre, südliche Hemisphäre und
Äquator (Fig. 2b) (POLDER data, 1997);
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bei der Vorrichtung von Fig. 1 einsetzbaren Detektoranordnung;
Fig. 4 ein Beispiel eines Interferogramms, das mit der Detektoranordnung von Fig. 3 aufgenommen ist;
Fig. 5a, 5b Veranschaulichungen der Regelung zu integrierender Laserpulse bei vorgegebener Belichtungszeit;
Fig. 6a eine Veranschaulichung eines typischen Intensitätsverlaufs versus
Zeit;
Fig. 6b eine Veranschaulichung der zu integrierenden Pulszahl in Relation zu Fig. 5b;
Fig. 6c eine Veranschaulichung der auf den Detektor treffenden Intensität nach Regelung der aufzuintegrierenden Pulszahl;
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Detektor-Anordnung, welche gegenüber derjenigen von Fig. 3 um einen faseroptischen Schalter erweitert ist; und Fig. 8a, 8b Veranschaulichungen einer konstanten (Fig. 8a) und einer variablen (Fig. 8b) Belichtungszeit des Detektors bei unterschiedlicher aufzuintegrierender Pulszahl.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Direktempfang-Doppler-LIDAR- Vorrichtung 10. Die Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 ist in dem dargestellten Beispiel in einem Luftfahrzeug, dargestellt am Beispiel eines Flugzeuges 13, eingebaut.
Die Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 weist eine Laserquelle 11 mit relativ schmaler Bandbreite (Einfrequenzbetrieb, typischerweise einige MHz Linienbreite) auf. Das Licht der Laserquelle 11 - ausgesendeter Laserstrahl 15 - wird durch ein Fenster 14 in die Atmosphäre 16 gesendet. In der Atmosphäre 16 wird das Licht der Laserquelle 11 an Teilchen 17a, 17b, 17c, ... der Luft in dem hier beispielhaft dargestellten Fall elastisch gestreut. Das Streulicht 18 wird von einer Detektor-Anordnung 12 aufgenommen. In einer Auswerteeinrichtung 19 wird aus der Dopplerverschiebung des an den Streupartikeln - Teilchen 17a, 17b, 17c - , welche sich relativ zur Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 bewegen, rückgestreuten Streulichts 18 die Relativgeschwindigkeit bestimmt.
Bei der dargestellten Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 ist weiter eine Intensitäts-Steuereinrichtung 22 zum Steuern von einem Detektor der Detektor- Anordnung 12 zu empfangenden Intensität vorgesehen.
Bei der Streuung an den Teilchen 17a. 17b und 17c unterscheidet man in diesem Zusammenhang einerseits die Streuung an Molekülen der Luft (Rayleigh- Streuung) und die Streuung an Aerosolen (Staubpartikel, Salzpartikel etc., Mie- Streuung). Die Rayleighstreuung kann zuverlässig in allen atmosphärischen Schichten und unabhängig von meteorologischen Einflüssen gemessen werden; sie ist nur abhängig von der Teilchendichte, welche kontinuierlich zu größeren Höhen abnimmt. Dagegen ist die Streuung an Aerosolen sehr stark von deren lokaler Dichte abhängig, die örtlich und insbesondere in Abhängigkeit von Wettereinflüssen und anderen Einflüssen stark variieren kann.
In den Fig. 2a und 2b sind unterschiedliche Aerosolstreuungen und Aerosolverteilungen veranschaulicht. Beispielsweise ist die Aerosolstreuung sehr stark in Gebieten mit hoher Schadstoffemission, wie beispielsweise in Industriegebieten oder vulkanischen Gebieten. Dagegen ist die Aerosolstreuung recht niedrig im Bereich von großen Gewässern, beispielsweise über den Ozeanen oder im Bereich der südlichen Hemisphäre der Erde, siehe Fig. 2a. Insbesondere werden die Aerosole aber auch durch beispielsweise starken Regen ausgewaschen, so dass deren Konzentration dann sehr gering sein kann.
Insgesamt nimmt die auf der Aerosoldichte beruhende Mie-Streuung überproportional gegenüber der Rayleighstreuung an Molekülen der Luft ab für eine Höhe größer als 2km; siehe Fig. 2b. Unter einer solchen Höhe von 2km ist die Mie- Streuung extrem umweltabhängig und teilweise sehr stark oder auch sehr gering möglich. Die Rayleighstreuung nimmt proportional mit der Dichte ab, also etwa auf 30% bei einer Höhe von 10 km. Für eine zuverlässige Messung von Turbulenzen etc. ist daher eine rein auf Aerosolen beruhende Messung nicht geeignet, vielmehr sollte die Rayleighstreuung auch gemessen werden können.
Da die Intensität der Rayleighstreuung proportional dem Kehrwert der Wellenlänge zur vierten Potenz ist, verwendet man sinnvollerweise eine Laserquelle 11 bei möglichst kurzer Wellenlänge, also beispielsweise im UV-Bereich. Ein Beispiel für die Detektor-Anordnung 12 der Direktempfang-Doppler-LIDAR- Vorrichtung 10 ist in Fig. 3 näher dargestellt. Die gestreute Strahlung - Streulicht 18 - wird über eine Optik 26 auf einen Detektor 35 geleitet und detektiert.
Zur Messung einer Frequenzverschiebung sind prinzipiell zwei Messmethoden denkbar. Bei einer hier nicht in Rede stehenden Messmethode, der sogenannten kohärenten Detektion, wird die feste Phasenbeziehung zwischen dem ausgesandten Laserstrahl hinreichend schmaler Linienbreite und der empfangenen Streustrahlung ausgenutzt. Aufgrund der Kohärenz ist dieses Messverfahren sehr emp- findlich. Zur Messung der Frequenzverschiebung wird ein Teil des Laserstrahls vor Aussendung in die Atmosphäre umgeleitet, zeitverzögert und kollinear mit der empfangenen Streustrahlung auf einem Photodetektor hinreichend großer Bandbreite gemischt. Aufgrund der Nichtlineahtät des Photodetektors kann die Differenzfrequenz als elektrisches Signal direkt abgegriffen werden, welche direkt der Dopplerverschiebung entspricht und daher der Relativgeschwindigkeit proportional ist.
Voraussetzung für diese Meßmethode ist eine hinreichend schmalbandige Laserquelle, so dass die Kohärenzlänge des Lichts größer als die Wegdifferenz zwi- sehen verzögerter Referenzstrahlung und empfangener Streustrahlung ist. Weiter darf die Streustrahlung selbst aber zu keiner wesentlichen Linienverbreiterung beitragen, da ansonsten die Kohärenz zerstört würde. Typische Grenzwerte für die maximale Linienbreite sowie Verbreiterung bei Streuung liegen im Bereich einiger kHz oder MHz.
Nun ist die an Aerosolen gestreute Strahlung zwar nahezu gleich schmalbandig wie die einfallende Strahlung, dies gilt jedoch nicht für die an Molekülen gestreute Strahlung: Aufgrund der Boltzmannverteilung der Partikelgeschwindigkeiten bewegen sich die sehr leichten Moleküle bei üblichen Temperaturen weit über dem absoluten Nullpunkt mit hoher Geschwindigkeit (Brown 'sehe Molekularbewegung), welche zu einer erheblichen Dopplerverbreiterung alleine aufgrund dieses Effektes führt. Typische Werte liegen im Bereich um 3 GHz. Eine kohärente Detektion gemäß des oben beschriebenen Verfahrens (Mischung auf einem Photodetektor) ist daher für das hier interessierende Messverfahren nicht möglich.
Zur Messung der Rayleighstreuung (Streuung an Molekülen) wird daher bei dem hier dargestellten Verfahren und bei der hier dargestellten Direktempfang-Doppler- LIDAR-Vorrichtung 10 die in Fig. 3 dargestellte sogenannte Direktempfangstech- nik verwendet, welche die Phase der Strahlung nicht benötigt und lediglich eine Intensitätsmessung vornimmt. Um die Doppler-Frequenzverschiebung zu bestimmen, ist ein weiteres Element vorgesehen, welches eine Frequenzdiskriminierung oder Wellenlängen-Dispersion aufweist.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Detektor-Anordnung 12 wird hierzu die empfangene Strahlung 32 mittels einer Lichtleitfaser 37 der Detektor-Anordnung 12 zugeführt. Die empfangene Strahlung wird über eine erste Optik - Kollimationsoptik 31 - einem sogenannten Fabry-Perot-Etalon 33, welches zwei planparallele, teilreflektierende Platten oder eine einzelne planparallelen Platte mit Teilreflexion auf beiden Oberflächen aufweist, zugeführt, was durch Selbstüberlagerung der Welle in einem Resonator zu einer Interferenz der Welle mit sich selbst führt.
Auf diese Weise entsteht durch Abbildung mittels einer zweiten Optik 38 auf den Detektor 35 eine räumliche Intensitätsverteilung. In dem dargestellten Beispiel ent- steht durch Vielfachreflexion eine kreisförmige Interferenzfigur - sogenannte Ringe oder engl. Fringes, siehe Fig. 4. Maxima und Minima entsprechen dabei jeweils Überlagerungen gleichen Winkels. Eine Änderung des Radius dieses Interferenzmusters ist direkt proportional der Änderung der Wellenlängen bzw. Frequenzänderung des detektierten Signals und damit der Änderung der Dopplershift und so- mit der Änderung der Relativgeschwindigkeit der Streu partikel, also beispielsweise der streuenden Teilchen 17a, 17b, 17c der Luft (Moleküle, Aerosole) gegenüber dem Messsystem. Beispielsweise lässt sich damit bei flugzeuggetragenen Systemen auch die Relativgeschwindigkeit der Luft in Bezug auf das Flugzeug 13 bestimmen.
Vergleicht man die Radien des Interferenzmusters beispielsweise mit einem gleichzeitig oder zu einem anderen Zeitpunkt gemessenen Signal des direkt abgeleiteten Lasersignals, so kann auch die absolute Relativgeschwindigkeit (im Unter- schied zur vorher beschriebenen Änderung der Relativgeschwindigkeit) bestimmt werden. Erfolgt diese Messung gleichzeitig oder hintereinander in unterschiedliche Raumrichtungen (Aussenden des Laserstrahls in unterschiedliche Raumrichtungen und Messung der Rückstreuung daraus), so kann der zwei- oder auch dreidimensionale relative Geschwindigkeitsvektor bestimmt werden. Entsprechend kön- nen die hier vorgeschlagenen Prinzipien und Lösungen für eine oder mehrere Messrichtungen angewandt werden.
Statt des hier beschriebenen Fabry-Perot-Interferometers können auch andere frequenzdiskriminierende Elemente oder andere Interferometer verwendet wer- den, bspw. Michelson-Interferometer, Fizeau-Interferometer o.ä.
Dieses in Fig. 4 als Beispiel dargestellte Interferenzmuster ist nun mit einem geeigneten Detektor 35, siehe Fig. 3, aufzunehmen. Der Detektor 35 kann unterschiedlich aufgebaut sein. Verschiedene Lösungen beinhalten die Verwendung von Filtern an den Kanten der Interferenzmaxima, dem Interferenzmuster nachempfundene konzentrische Ringelektroden eines Photomultipliers, die Umformung des kreisförmigen Musters in ein lineares mittels beispielsweise Faseroptik und Detektion mit einem CCD-Zeilendetektor oder die Detektion mit einem zweidimensionalem Photo-Detektor (beispielsweise CCD-Kamera). Für die dargestellte Di- rektempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 sind alle diese Detektoren und auch andere geeignet. Der Einfachheit halber wird die Direktempfang-Doppler-LIDAR- Vorrichtung 10 sowie ein damit durchführbares Messverfahren jedoch am Beispiel der Verwendung einer CCD-Kamera als Detektor 35 mit einer vorgeschalteten Mikrokanalplatte 34 zur Verstärkung weiter beschrieben.
Typischerweise ist das detektierte Rückstreusignal sehr schwach, kann aber in der Intensität wesentlich schwanken, einerseits durch Änderungen der Luftdichte und damit der Anzahl der rückstreuenden Moleküle im Messvolumen, andererseits durch im Messvolumen befindliche Aerosole.
Es ist anzumerken, dass das hier beschriebene Direktempfangs- Detektionsverfahren sowie die hier beschriebene Direktempfang-Doppler-LIDAR- Vorrichtung 10 durchaus die Messung in absolut aerosolfreier Atmosphäre ermög- licht (reine Rayleigh-Streuung), dass darüber hinaus aber auch die Streuung an Aerosolen detektiert und ausgewertet werden kann. In diesem Falle ist sogar mit einem sehr starken Rückstreusignal zu rechnen.
Während die Unterschiede durch die Luftdichteänderungen typisch eine Größen- Ordnung oder weniger betragen (je nach maximaler Flughöhe), betragen die Schwankungen durch aerosolhaltige/aerosolarme Rückstreuung mehrere Größenordnungen (Extremfälle: Kumuluswolke und große Flughöhe), so dass insgesamt das detektierte Signal um mehrere Größenordnungen schwanken kann.
Weiter kann bei einer Umschaltung von Messentfernung und Messtiefe ebenfalls die Rückstreuintensität schwanken.
Diese möglichen Schwankungen des Messsignals um mehrere Größenordnungen liegt typischerweise weit über dem Dynamikbereich der Sensoren des Detektors 35. Bei dem hier beschriebenen Messverfahren werden weitere Maßnahmen ergriffen, um den erforderlichen Dynamikbereich zu erreichen.
Eine erste, naheliegende Lösung wäre die Abschwächung des Empfangssignals in Abhängigkeit von dessen Stärke. Diese naheliegende Lösung ist aber aus mehreren Gründen unvorteilhaft: Absorbierende Abschwächer müssten gegebenenfalls mechanisch bewegt werden. Elektrisch ansteuerbare Abschwächer beruhen meist auf der Transmission von polarisiertem Licht, wohingegen das empfangene Rückstreusignal höchstens teilpolarisiert ist und zudem meist nicht- polahsationserhaltende Elemente der Strahlübertragung verwendet werden. Weiter wäre der genaue Wert der Abschwächung zur Bestimmung bestimmter Parameter wichtig (Rückrechnung auf die tatsächliche Signalintensität), was bei Absorbern oder anderen Abschwächern nur schwer zu bestimmen ist.
Es wird daher ein anderer Lösungsweg vorgeschlagen, um den Dynamikbereich des Eingangssignals (in Fig. 6a als Intensität über die Zeit skizziert) wesentlich zu erweitern. Vorteilhafterweise soll zudem eine definierte Abschwächung in digitaler Form ermöglicht werden, so dass zudem auch die exakte Signalintensität aus der detektierten Intensität und dem digital festgelegten Abschwächungsverhältnis rückgerechnet werden kann. Weiter lassen sich in vorteilhaften Ausgestaltungen der Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 sowie des damit durchführbaren Direktempfang-Doppler-LIDAR-Messverfahrens zugleich Störparameter wie Hintergrundlicht etc. minimieren.
Ein Grundprinzip der hier vorgestellten Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 und des damit durchführbaren Verfahrens beruht darauf, dass zur Geschwindigkeitsmessung nicht wie üblich Einzelpulse pro Messung verwendet werden, sondern es werden Pulszüge bzw. viele Laserpulse 51 (Fig. 5a und b) eines hochrepetierenden Lasers (typisch im kHz-Bereich) verwendet, welche auf dem Detek- tor 35 zu einer einzigen Messung integriert werden. Dies ist schematisch in den Fig. 5a und 5b gezeigt, wobei die Laserpulse 51 und das Messintervall 52 (Dauer des Messzyklus) über die Zeit dargestellt sind. Die Belichtungszeiten liegen dabei typischerweise bei etwa 10ms pro Messung, allgemeiner zwischen etwa 1 ms und 100ms.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Messverfahrens zur Geschwindigkeitsmessung mittels Direktempfang-Doppler-LIDAR wird weiter die ansteuerbare Schalteinrichtung 24 verwendet, welcher so angesteuert wird, dass die Anzahl der aufintegrierten Laserpulse 51 gesteuert werden kann. Zur Veranschaulichung ist in Fig. 5a eine große Pulszahl der Laserpulse 51 pro Messung 52 bei geringer Rückstreuung und in Fig. 5b eine kleine Pulszahl der Laserpulse 51 pro Messung 52 bei starker Rückstreuung dargestellt.
In Abhängigkeit der empfangenen Rückstreuintensität wird zum Beispiel eine definierte, aber pro Messung individuell einstellbare Anzahl von Laserpulsen 51 aufintegriert. Bei einer alternativen Vorgehensweise wird der Detektor 35 selbst, soweit dieser ansteuerbar ist, entsprechend angesteuert. Eine weitere Verfahrensweise zur Steuerung der aufzuintegrierenden Laserpulse 51 beinhaltet die Ansteuerung des Detektorausgangs.
Zur Veranschaulichung sind in Fig. 6a ein empfangenes Rückstreusignal mit starker Dynamik, in Fig. 6b die Anzahl der jeweils zu detektierenden Laserpulse 51 und in Fig. 6c die relativ gleichmäßige Intensität auf dem Detektor 35 dargestellt.
Auf diese Weise wird eine Übersteuerung des Detektors 35 vermieden. Zugleich wird bei schwächeren Signalen eine optimale Anzahl von Pulsen aufintegriert. Die Intensität wird in definierten Schritten einzelner Laserpulse reduziert, so dass die gemessenen Intensität zur Rekonstruktion der tatsächlichen Rückstreuintensität lediglich auf die volle Pulszahl rückgerechnet werden muss.
Eine bevorzugte Anordnung sieht beispielsweise eine Laserpulsrate von 20 kHz bei Belichtungszeiten (Integrationszeiten) des Detektors von 16 ms pro Messung vor, so dass in diesem Falle bis zu 333 Pulse zu einer Messung integriert werden können. Im Falle sehr starker Rückstreuung kann die Anzahl aufzuintegrierender Pulse bis auf einen einzelnen Puls reduziert werden. Auf diese Weise wird zusätzlich zur Dynamik des Detektors 35 eine weitere Dynamik von über 333 erreicht, welche mit der Detektordynamik zur Gesamtsystemdynamik zu multiplizieren ist. Typische Werte für Detektordynamik liegen bei etwa 100; die Gesamtdynamik beträgt dann bis zu mehr als vier Größenordnungen.
Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, insbesondere bei Verwendung einer Schalteinrichtung 24 vor dem Detektor 35. In dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel ist eine solche Schalteinrichtung 24 im wesentlichen durch eine sehr schnell schaltbare Mikrokanalplatte 34 gebildet.
Ein gegenüber der Ausführungsform der Detektor-Anordnung 12 von Fig. 3 erwei- terte Ausführungsform einer Detektor-Anordnung 70 ist in Fig. 7 dargestellt, wobei für entsprechende Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet worden sind. In
Fig. 7 weist die Schalteinrichtung 24 die Mikrokanalplatte 34 vor dem Detektor 35
(beispielsweise vor einer CCD-Kamera) sowie einen faseroptischen oder elektro- optischen Schalter 76 im Empfangspfad der Lichtleitfaser 37 auf. Die Mikrokanal- platte 34 kann auch weggelassen oder in einer anderen Funktion, beispielsweise als Intensitätsverstärker, verwendet werden.
Die Intensitäts-Steuereinrichtung 22 steuert demnach die Anzahl der zu dem Detektor 35 durchgelassenen Laserpulse durch die vor dem Detektor 35 angeordnete Schalteinrichtung 24. Alternativ oder zusätzlich steuert die Intensitäts- Steuereinrichtung 22 die Anzahl der zu integrierenden Pulse durch Ansteuerung des Detektors 35 selbst.
Auf die verschiedenen dargestellten Weisen kann die Schaltzeit für Detektion nun auch gerade so kurz gewählt werden, dass das erwartete und gewünschte Streusignal aufgenommen wird, wobei davor und danach jedoch keine Detektion stattfindet, so dass der Hintergrundlichteinfluss minimiert werden kann.
Bezüglich der schnell schaltbaren Mikrokanalplatte 34 sei angemerkt, dass diese vorzugsweise entweder durch Ansteuerung der Beschleunigungsspannung oder durch Ansteuerung einer Gate-Elektrode, meist eine netzförmige Elektrode auf der Photokathode, oder durch beides zugleich geschaltet werden kann. Die Schaltzeiten liegen typischerweise im Nanosekunden-Bereich oder darunter (zumindest für die Gateelektrode).
Eine andere, in den Zeichnungen nicht näher dargestellte Ausführung, die den vorerwähnten Vorteil einer Minimierung des Hintergrundlichteinflusses nicht aufweist, jedoch ebenfalls anwendbar ist, ist eine Anordnung, bei der die Anzahl der ausgesendeten Laserpulse gesteuert wird (im Gegensatz zur oben beschriebenen Steuerung der Anzahl der empfangenen Laserpulse). Dies kann wiederum entweder durch inhärente Steuerung des Lasers (z.B. mittels eines - nicht dargestellten - Güteschalters in der Laserquelle 11 ) oder durch einen am Laserausgang angebrachten schnellen Schalter (elektrooptischer Schalter, Faserschalter; ebenfalls nicht dargestellt) erzielt werden.
Um die gewünschte Anzahl der zu detektierenden Pulse zu bestimmen, ist gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 und des Messverfahrens vorgesehen, die Intensität auf dem Detektor 35 zu messen und entsprechend keine Pulse mehr weiter aufzuintegrieren (z.B. den Schalter 76 geschlossen zu halten, die Mikrokanalplatte 34 entsprechend zu schalten o.a.), wenn die erforderliche Intensität erreicht ist. Im Falle einer CCD- Kamera ist diese Intensitätsmessung jedoch nicht während der Integration mög- lieh, da zur Bestimmung der Intensität der CCD-Chip ausgelesen werden muss. Eine Möglichkeit besteht aber darin, die Intensität des jeweils letzen Messzyklus zur Intensitätsmessung zu verwenden und darauf basierend die Sollzahl der aufzuintegrierenden Pulse für die nächste Detektion zu bestimmen (welche größer, kleiner oder gleich wie die vorige Pulszahl sein kann). Wenn in mehreren Mess- richtungen gemessen wird, ist dies für jede Messrichtung gesondert durchzuführen.
Wird zudem noch ein Referenzsignal (direktes Lasersignal) von Zeit zu Zeit gemessen, kann dieses Verfahren auch für das Referenzsignal durchgeführt werden und eine optimale Detektorintensität auch bei schwankender Laserleistung erzielt werden. Das beschriebene Verfahren der Verwendung des jeweils letzten Messwerts funktioniert immer dann gut, wenn die Intensitätsänderungen langsam im Vergleich zur Messrate sind. Schnelle Intensitätsänderungen können so nicht oder zumindest nicht vollständig erfasst werden. Es kann dann durchaus vorkommen, dass trotzdem eine Messung überstrahlt ist oder eine zu geringe Intensität aufweist. In diesem Falle ist das beschriebene Vorgehen konsekutiv zu wiederholen, bis man sich im gewünschten Sensitivitätsbereich befindet, oder aber anhand einer Schätzung ein größerer Sprung vorzusehen. Für typische Anwendungen ist dies jedoch hinreichend. Insbesondere werden keine zusätzlichen Detektoren be- nötigt und die Intensität kann sehr einfach aus dem Detektorsignal selbst abgeleitet werden. Ein entsprechender Zähler - beispielsweise durch Hard- oder Software in der Intensitäts-Steuereinrichtung 22 realisiert und daher nicht näher dargestellt - wird dann je nach bestimmter Signal-Intensität der letzten Messung mit einem entsprechenden Wert der für die nächste Messung aufzuintegrierenden Pulszahl beaufschlagt. Diese Werte können kontinuierlich sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine stufenweise Anpassung der zu integrierenden Pulszahl vorzugeben (beispielsweise Verdopplung/Halbierung: 1 -2-4-8-16-32-65-128-256- MAX Pulszahl oder additive Erhöhung/Subtraktion 1 -31-61 -91 -...). Es kann je- doch auch aus dem gemessenen Intensitätswert und dem gewünschten ein direkter Proportionalfaktor abgeleitet werden.
In Fig. 8a und 8b sind unterschiedliche Möglichkeiten zur Auslesung des Detektors 35 dargestellt. In dem Beispiel sind bei drei aufeinanderfolgenden Messungen un- terschiedliche Anzahlen von Laserpulsen 81 a, 81 b, 81c aufgenommen worden. Mit 82a, 82b und 82c sind die Gesamt-Integrationszeiten bei der ersten bis dritten Messung bezeichnet.
Wie aus Fig. 8a ersichtlich kann die Gesamt-Integrationszeit 82a, 82b, 82c des Detektors 35 bei einer ersten Verfahrensweise unabhängig von der Anzahl der aufzuintegrierenden Laserpulse bzw. der Länge des aufzuintegrierenden Pulszugs (bei 81 a, 81 b, 81c) fest vorgegeben sein. Fig. 8a zeigt somit eine Verfahrensweise zum Auslesen des Detektors 35 mit festem Auslesetakt.
Fig. 8b zeigt eine Verfahrensweise zum Auslesen des Detektors 35, bei dem die Gesamt-Integrationszeit 82a, 82b, 82c abhängig von der gemessenen Signalintensität ist. Wie bei Fig. 8b bei der mit b bezeichneten Messung dargestellt, können für den Fall ausreichender Intensität bereits wenige Laserpulsen 81 b zur Erzielung der gewünschten Intensität ausreichen, so dass die Gesamt- Integrationszeit 82b (Belichtungszeit) im Vergleich zu der ersten Messung mit der Gesamt-Integrationszeit 82a verkürzt werden kann. Die Auslesung erfolgt dann nach Erreichen der gewünschten Intensität oder nach Erreichen einer aufgrund der Vormessung zu erwartenden Intensität. Die Gesamt-Integrationszeit 82a, 82b, 82c wird gegebenenfalls durch eine vorgegebene Maximalzeit limitiert. In einem wie oben beschriebenen LIDAR-System soll oftmals nicht nur die Änderung der Geschwindigkeit, sondern die Geschwindigkeit selbst gemessen werden. Hierzu wäre die Messung der zeitliche Änderung des Interferenzsignals alleine noch nicht ausreichend. Zum Beispiel wird zur Messung der Geschwindigkeit selbst die Änderung des Interferenzsignals in Bezug auf einen Bezugspunkt (zum Beispiel bekannte Geschwindigkeit oder Geschwindigkeit gleich Null) gemessen. Eine Möglichkeit unter Verwendung der hier dargestellten Direktempfang-Doppler- LIDAR-Vorrichtung 10 besteht im wesentlichen darin, einen Teil des ausgesandten Laserlichts - Laserstrahl 15 - direkt (d.h. ohne Aussenden in die Atmosphäre) in die Detektor-Anordnung 12 zu koppeln. Da dieser Teil des Laserlichts keine Streuung an relativ zum System bewegten Partikeln - Teilchen 17a, 17b, 17c - erfährt, beträgt hier die Dopplerverschiebung 0. Das Signal kann damit als Nullpunkts-Referenzsignal verwendet werden.
Bei einer Ausführung des hier dargestellten Messverfahrens wird dieses Signal nun so gewonnen, dass ein Teil des ausgesandten Signals auf den Detektor 35 geleitet wird und die Anzahl der detektierten Laserpulse 51 nun so gewählt wird, dass keine Sättigung des Detektors 35 auftritt. Typischerweise ist das direkt zuge- führte Signal wesentlich intensiver als das aus der Rückstreuung aus der Atmosphäre gewonnene Signal, so dass auch hier die hier dargestellte Lösung wesentlich zur Verhinderung einer Detektorsättigung und damit Gewinnung eines guten Referenzsignals beiträgt. Diese Messung des Referenzsignals kann nun periodisch oder zufällig im gesamten Messvorgang der LIDAR-Messung erfolgen. Bezugzeichenliste:
10 Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung
11 Laserquelle
12 Detektor-Anordnung
13 Flugzeug
14 Fenster
15 ausgesendeter Laserstrahl
16 Atmosphäre
17a Teilchen der Luft
17b Teilchen der Luft
17c Teilchen der Luft
18 Streulicht
19 Auswerteeinrichtung
22 Intensitäts-Steuereinrichtung
24 Schalteinrichtung
26 Optik
31 Kollimationsoptik
32 empfangene Strahlung
33 Fabry-Perot-Etalon
34 Mikrokanalplatte
35 Detektor
37 Lichtleitfaser
38 zweite Optik
51 Laserpulse
52 Messung
70 Detektor-Anordnung
76 Schalter
81 a Laserpulse erste Messung
81 b Laserpulse zweite Messung 81 c Laserpulse dritte Messung
82a Gesamt-Integrationszeit erste Messung
82b Gesamt-Integrationszeit zweite Messung
82c Gesamt-Integrationszeit dritte Messung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Doppler-LIDAR-Messung von Geschwindigkeiten mittels Direktempfang, wobei ein Laserstrahl (15) auf das zu messende Medium (16) gerichtet wird und von dem Medium (16) daraufhin abgestrahlte Strahlung (18) mittels eines Detektors (35) gemessen wird, gekennzeichnet durch a) Aussenden einer Vielzahl von Laserpulsen pro Messung (52) und b) Aufintegration einer Vielzahl von mit dem Detektor (35) empfangener Laserpulse (51 , 81 a, 81 b, 81 c) pro Messung (52), wobei die Laserpulse mit einer Repetitionsrate ausgesandt werden, die um eine oder mehrere Größenordnungen über der Detektionsrate liegt, und wobei die Laserpulse pro Messung mit einer Frequenz von größer oder gleich etwa 1 kHz ausgesandt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch c) Steuerung der Anzahl der auf dem Detektor (35) zu integrierenden oder integrierten Laserpulse (51 , 81 a, 81 b, 81 c).
3. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung in Abhängigkeit von der Intensität der von dem Medium (16) kommenden Strahlung (18) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuerung der Anzahl der auf dem Detektor (35) zu integrierenden oder integrierten Laserpulse (51 , 81 a, 81 b, 81 c) die Gesamtintensität der empfangenen Strahlung eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) wenigstens einen der folgenden Teilschritte umfasst: d ) Steuerung einer die Laserpulse aussendenden Laserquelle (11 ) derart, dass eine definierte, veränderbare Anzahl von Laserpulsen ausgesandt wird; c2) Steuerung der Anzahl der auf das Medium (16) gerichteten Laserpulse mittels einer der Laserquelle (11 ) nachgeschalteten steuerbaren ersten
Schalteinrichtung; c3) Steuerung des Detektors (35) derart, dass empfangene Laserpulse (51 , 81 a,
81 b, 81 c) ausgeblendet oder nicht mit aufintegriert werden; und/oder c4) Steuerung der Anzahl der von dem Detektor (35) empfangenen Laserpulse (51 ,
81 a, 81 b, 81 c) mittels einer dem Detektor (35) vorgeschalteten steuerbaren zweiten Schalteinrichtung (24).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung derart erfolgt, dass eine hohe Signalintensität unterhalb einer Übersteuerungsschwelle des Detektors (35) erhalten wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) umfasst: ca) Vergleichen eines aktuellen Messwerts mit einem vorgegebenen oberen Schwellwert für eine zu hohe Intensität und Erniedrigen der Anzahl der aufintegrierten Laserpulse (51 , 81 a, 81 b, 81 c) für eine nachfolgenden Messung, falls der aktuelle Messwert den oberen Schwellwert überschreitet, und/oder cb) Vergleichen eines aktuellen Messwerts mit einem vorgegebenen unteren Schwellwerts für eine zu niedrige Intensität und Erhöhen der Anzahl der aufintegrierten Laserpulse (51 , 81 a, 81 b, 81c) für eine nachfolgende Messung, falls der aktuelle Messwert den unteren Schwellwert unterschreitet.
8. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilschritte ca) und cb) in unmittelbar oder mittelbar aufeinanderfolgenden Messungen wiederholt durchgeführt werden, bis der aktuelle Messwert zwischen dem oberen und dem unteren Schwellwert liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Anzahl von auf dem Detektor zu integrierenden oder integrierten Laserpulse (51 , 81 a, 81 b, 81c) um einen konstanten Faktor oder um einen konstanten additiven/subtraktiven Betrag oder proportional zu einer Abweichung von einem vorbestimmten Idealwert erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) umfasst: cd) Abschätzen einer zu erwartenden Intensität des Messsignals aus dem bisherigen Verlauf der Messsignalintensität und ce) Einstellen der Anzahl der auf dem Detektor zu integrierenden Laserpulse (51 , 81 a, 81 b, 81c) aufgrund dieser Abschätzung.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall von mehreren Messkanälen die Steuerung jeweils für jeden Kanal getrennt erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass für einen eventuellen Referenzkanal die Steuerung getrennt von den Messkanälen erfolgt.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch d1 ) Auslesen des Detektors (35) mit einer konstanten Detektionsrate unabhängig von der Anzahl der integrierten Laserpulse (51 , 81 a, 81 b, 81 c) oder d2) Auslesen des Detektors (35) nach Erreichen einer vorbestimmten Intensität.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall von d2) das Auslesen spätestens mit Ablauf einer voreingestellten Maximalzeit erfolgt, falls bis zum Ende der Maximalzeit die vorbestimmte Intensität nicht erreicht worden ist.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch e) Erfassen der Anzahl der ausgesandten oder der zu integrierenden Laserpulse (51 , 81 a, 81 b, 81 c) und f) Bestimmen der tatsächlichen Signalamplitude aus der in Schritt e) erfassten Anzahl und aus der Intensität des Messsignals.
16. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Erhöhung des Dynamikumfangs einer Direkt-Empfang-Doppler-Lidar- Vorrichtung (10) durchgeführt wird.
17. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Messung von Luftgeschwindigkeiten, insbesondere zur vorausschauenden Messung von Turbulenzen, Seitenwinden und/oder Wirbelschleppen vor einem Luftfahrzeug (13) durchgeführt wird.
18. Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung (10) zum Messen von Geschwindigkeiten mittels Direktempfang-Doppler-LIDAR, mit einer Laserquelle (11 ) zum Aussenden von Laserstrahlung (15) auf ein zu messendes Medium (16), einem Detektor (35) zum Empfangen von Strahlung (18), die bei Bestrahlung mit der Laserstrahlung (15) von dem Medium (16) abgestrahlt, insbesondere gestreut, wird, und einer Auswerteeinrichtung (19), welche aufgrund der von dem Detektor (35) empfangenen Strahlung wenigstens eine Geschwindigkeit des Mediums (16) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (11 ) zum Aussenden einer Vielzahl von Laserimpulsen pro Messung (52) des Detektors (35) ausgebildet ist und dass der Detektor (35) zum Integrieren einer Vielzahl von Laserpulsen (51 , 81 a, 81 b, 81 c) pro Messung (52) ausgebildet ist.
19. Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intensitäts-Steuereinrichtung (22) vorgesehen ist, mittels derer die Anzahl pro Messung zu integrierender Laserpulse (51 , 81 a, 81 b, 81 c) steuerbar ist.
20. Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (11 ) durch die Intensitäts-Steuereinrichtung (22) derart steuerbar ist, dass sie eine mittels der Intensitäts-Steuereinrichtung (22) einstellbare Anzahl von Laserpulse aussendet.
21. Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (11 ) einen durch die Intensitäts-Steuereinrichtung (22) ansteuerbaren Güteschalter zur Steuerung der Anzahl der zu integrierenden Laserpulse aufweist.
22. Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (35) durch die Intensitäts-Steuereinrichtung (22) derart steuerbar ist, dass empfangene Laserpulse (51 , 81 a, 81 b, 81 c) ausgeblendet oder nicht mit aufintegriert werden.
23. Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitäts-Steuereinrichtung (22) zum Steuern einer ersten Schalteinrichtung ausgebildet ist, die der Laserquelle (11 ) nachgeordnet ist, um eine Anzahl von auf das Medium (16) gerichteter Laserpulse einzustellen.
24. Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitäts-Steuereinrichtung (22) zum Steuern einer zweiten Schalteinrichtung (24) ausgebildet ist, die dem Detektor (35) vorgeschaltet ist, um eine Anzahl empfangbarer von dem Medium (16) kommender Laserpulse (51 , 81a, 81 b, 81 c) einzustellen.
25. Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Schalteinrichtung (24) einen elektrooptischen Schalter und/oder einen elektromechanischen Schalter und/oder einen faseroptischen Schalter (76) aufweisen.
26. Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikrokanalplatte (34) vor dem Detektor (35) vorgesehen ist, die mittels der
Intensitäts-Steuereinrichtung (22) ansteuerbar ist.
27. Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassungseinrichtung, insbesondere ein Zähler, zum Erfassen der Anzahl pro Messzyklus abgesandter und/oder empfangener Laserpulse vorgesehen ist und dass die Auswerteeinrichtung (19) zur Bestimmung der tatsächlichen Signalintensität aus der durch die Erfassungseinrichtung erfassten Anzahl und aus der durch den Detektor (35) gemessenen Signalintensität ausgebildet ist.
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